宇宙的结构和宇宙中的天体.ppt

宇宙的结构和 宇宙中的天体,宇宙的大尺度结构 星系及星系的分布 星系中的天体 恒星 恒星集团 星云和星际物质,宇宙学的对象是整个宇宙 从整体上研究宇宙的结构和演化 物理学： 物质组成 物质的相互作用 物质的运动规律 广义相对论：牛顿引力不稳定的宇宙,宇宙学原理,宇宙在大尺度上是均匀而且各向同性的 广义相对论计算宇宙模型的工作假设 （当时对宇宙并不十分了解） 被实验观测所证实 简单的正确的,宇宙微波背景观测： 宇宙中物质密度偏离均匀的程度为千分之几（宇宙年龄在10万年时）,星系：研究大尺度宇宙结构的基本单元 整个宇宙：一团由星系“分子”构成的气体 星系团和超星系团：星系尺度之上的结构（星系的空间分布有结团性） 星系团及其之上的结构都比较松散 星系可以形成各种结构：双（多）重星系、星系群、星系团、超星系团,星 系,椭圆星系：年轻恒星极少，总光度却很低（尽管恒星数量较多） 旋涡星系：中心主要是年老的恒星，而旋臂里较多年轻和新生的恒星 透镜星系：介于椭圆和旋涡星系之间 不规则星系：含年轻明亮的恒星最多，年老的恒星最少,星系分类,麦哲伦星系：双重星系，外围有公共氢气云 两个星系之间有气云连接 公共氢气云有气体向银河系方向伸展 和银河系构成三重星系,仙女座,双重星系,“本星系群”：银河系，仙女星系，大、小麦哲伦星系及其周围几十个星系 星系群一般由几十个星系组成 星系团：组成与星系群相似而数量更多 星系团一般由几百到几千个星系构成,星系群与星系团,超星系团：星系团之上仍有结构 超星系团只包含几个到几十个星系团 一般的超星系团都包含10个左右的星系团 超星系团是现在已知的最大星系集团 这些星系集团都有各自的运动： 如在自转或膨胀,超星系团的尺度之上的结构：空洞 在空洞的范围内没有或极少有星系存在 星系聚集在空洞的壁上 呈纤维状或片状结构：形成超星系团 超星系团一般都呈扁长型 长短径之比平均约为4:1,星系: 100kpc, 1011 stars M1012Msun 星系团 : Mpc, 102103 galaxies M1014Msun 超星系团、空洞：50-100Mpc,尺 度,恒星：炽热气体、自己发光发热 星云：气体和尘埃、呈云雾状外表 星际物质的一种密集形式 行星：环绕着恒星、自身不发光 质量必须足够大： 其自身重力和表面力平衡呈圆球 星际物质：宇宙中到处弥漫（气体和尘埃） 黑洞 小型天体 星际分子 宇宙线 磁场,星系内部的结构和天体,银河系 直径约为10万光年,主体部分是一个中间厚、边缘薄的扁平圆盘体,核球：银河系恒星最密集的区域 长轴：1300016000光年 厚度：大约13000光年 银核：核球中心，银河系的中心 发出很强的射电、红外线和X射线 银核中：一个超大的黑洞 许多围绕大黑洞的小黑洞 银河系对银心绕转 太阳：绕银心速度=250km/s, 2.5亿年一周,图中的小星： 银河系中最小的恒星之一 质量只有太阳的十分之一 亮度不足满月的八倍,该图演示由卫星观测到的位于银河系中心名为MCG63015的超大型黑洞,银河系中央神秘小型黑洞能将行星喷射出银河系 双星，一个被吸入黑洞，一个被弹出,银河系中心结构酷似“中国龙”的星云,银道面与地球赤道面成62。交角,恒星发光发热的能量：内部的核聚变 恒星内部结构：质量、化学组成、演化阶段 太阳：正处于壮年期,恒星的发光机制,E=mc2 0.7% mass 1011 years Chemical 3000 years Gravitation 108 years,主序星：处于壮年期的恒星，如太阳 变星： 亮度有明显变化的恒星 致密星：高密度天体，正常恒星的归宿 如中子星、白矮星 巨星： 光度比一般恒星大,恒星的种类,主序星阶段：恒星一生的大部分时间 看到的大多数恒星都是主序星 大质量恒星：燃烧剧烈，燃料消耗快 主序星阶段的时间较短 最短的只有几百万年 小质量恒星：氢的消耗较慢 主序星阶段的时间较长 最长的可达10万亿年 太阳年龄：45亿岁 主序星阶段的时间约100亿年,变星可分为物理变星和几何变星 物理变星（内部变化亮度变化） 脉动变星：自身的膨胀和收缩光度变化 爆发变星：光度突然发生剧烈变化 几何变星：恒星几何位置变化亮度变化,变 星,光变幅度不大，不超过几倍 光度变化有明显的规律 周期性脉动变星 每个周期的光度和光谱变化都很一致 不规则脉动变星 不具有明显周期性的脉动变星 已发现的物理变星：脉动变星占了90%,脉动变星,恒星演化晚期： 内部核反应减弱，恒星开始收缩 收缩到一定程度位能转化为热能，使内部压力增大，恒星便又开始膨胀 膨胀又将导致压力减小，恒星将再度收缩，便形成了周期性脉动现象 绝大多数恒星：都将经历脉动变星阶段 但时间不长，与恒星寿命相比极短暂 脉动变星在恒星总数中所占比例很小 迄今发现的脉动变星总数：3万左右,造父变星：脉动变星中最重要的一类 典型代表：仙王座中的“造父一” 光变周期为5.4天,爆发变星： 耀星、不规则变星、新星和超新星 耀星：平时亮度基本保持不变 几分钟甚至几秒钟内突然增亮 经过几十分钟后又慢慢复原(无规则) 耀星表面存在着局部活动区 类似太阳耀斑活动，但规模要大得多 耀星：年龄很轻的恒星 典型代表：鲸鱼座UV星（1948年） 这类耀星又称为鲸鱼座UV型变星,不规则快变星： 亮度有不规则的快速变化 这类变星的自转较快 经常向外抛射大量物质 常和星云状物质在一起 不规则快变星： 一种正处于引力收缩阶段的主序前恒星 典型代表：金牛座T星（1945年）,短时间内亮度突然剧增（几小时至几天） 然后缓慢减弱 光度增加：几万到几十万倍 发亮之前一般很暗，大望远镜也许看不到 一旦发亮后，有的肉眼就能看到 因此被称为“新星”，中国古代称“客星”,新 星,新星不是新产生的星：产生于双星系统 一颗子星是体积很小、密度很大的矮星（可以认为是白矮星），另一颗是巨星 两颗子星相距很近，巨星的物质受到白矮星的吸引，向白矮星流去 这些物质的主要成分是氢，落进白矮星的氢使得白矮星“死灰复燃”，在其外层发生核反应，从而使白矮星外层爆发，成为新星,新星爆发以后，所产生的气壳被抛出 气壳膨胀半径增大密度减弱消散于恒星际空间 气壳膨胀消散新星的亮度缓慢减弱,爆发规模更大的变星 亮度的增幅：新星的数百至数千倍 可达1000万倍以上 抛出的气壳速度可超过1万千米 恒星规模最大的灾难性爆发,超新星,超新星爆发： 大质量恒星(10个太阳质量以上)演化晚期 燃料耗尽恒星中心的核剧烈塌缩 反弹产生向外的激波 恒星外层被加热而剧烈燃烧 以致整个外壳发生爆炸 将其全部物质抛向星际空间 爆炸时外壳光度猛烈增大超新星爆发,大麦哲伦星系中的超新星1987A,1987A,半人马A 钱德拉X射线望远镜持续观测100万秒 清晰捕捉到它的爆炸场面,金牛星座一个超新星爆炸云团的照片 2005年美国哈勃太空望远镜,爆炸中甩出来的物质成分可以通过颜色辨别出来，如绿色代表硫,超新星爆炸云团大约6光年大小 距离地球6500光年,超新星外层爆发：能量极高，发生进一步核聚变反应生成序列较高的元素 新生成的元素，连同核聚变早期阶段产生的较轻元素（如碳、氧等）一起被抛入太空，成为下一代恒星和行星的组成材料（需要经历数十亿年的演化过程 ） 恒星的核聚变：只能生成元素周期表中Fe及其之前的元素 组成我们人类身体的原材料，以及世界上大部分物质，都源于宇宙中超新星的爆发,正常恒星走向死亡的最终归宿 自身不能再进行核反应，因此不能再靠向外的辐射压平衡自身的引力塌缩 体积都很小、密度非常大 白矮星、中子星、黑洞,致密星,光度暗弱、体积小、质量大、密度高 由简并态物质组成 半径通常小于107m，同行星的大小差不多 质量与太阳接近，0.31.2个太阳质量 表面温度高达5000K50 000K,白矮星,哈勃望远镜观测到的白矮星,由X射线卫星望远镜ROSAT观测到的白矮星HZ43,简并中子组成的超密态天体 半径：一般只有十几公里 质量与太阳相当（0.12个太阳质量之间） 极强磁场和快速自转 自转轴和磁轴相倾斜的中子星 高速自转磁隅极辐射和引力辐射 中子星辐射的来源,中子星,射电望远镜观测快速自转的中子星：很强烈的短周期（几秒）的无线电脉冲(脉冲星) 磁场极强：磁极附近带电粒子被加速向外抛出，沿磁轴方向辐射电磁波 观测者正对着中子星磁极才能接收 脉冲星自转轴和磁极不重合中子星自转磁极周期性扫过空间电磁波周期性扫过空间，像转动的探照灯脉冲形象,中子星的电磁辐射,IC 443号超新星残骸的图像 在该残骸的内部可以看到一颗“长有长发”的中子星,巨星：比较年老的恒星 温度较低，体积较大 如大角五和毕宿五，温度在4000K以下，光度为太阳的几百倍，直径分别是太阳的23倍和45倍 超巨星：比太阳光度大2千倍以上的恒星 体积更大，密度更小，光度更大 超巨星中温度最低的叫红巨星 温度最高的叫蓝巨星,赫罗图， “光谱-光度图”： 恒星光谱和光度的关系 赫茨普龙（丹麦）和罗素（美国） 20世纪初 赫罗图：恒星的分类、起源和演化 研究恒星的重要手段 恒星的光谱依赖于它的表面温度,恒星在赫罗图上的位置恒星的大小 温度低、光度大的星：半径必定大 温度高、光度低的星：半径一定小 恒星光度（L）、半径（R）和表面温度（T）之间的关系： LR2T4,恒星集团,单独一颗的恒星的比例在1/31/2之间 大多数恒星都两个或更多的彼此靠得很近 恒星的结构：双星、聚星、星团、星协,双星：两个彼此靠得很近的恒星 子星：双星的两个成员 较亮的为主星，较暗的叫伴星 光学双星、物理双星、密近双星、X射线双星、射电双星、爆发双星等 光学双星仅仅是一种投影关系 从地球上看起来它们很近，其实相距很远,物理双星：真正十分靠近，并相互绕转,印地安的伴星印地安Ba 於去年被發現,天兔座棕矮星Gliese229B 图中的红巨星的伴星，距地球约十九光年,密近双星：子星之间有物质交流 两子星距离较近，相互作用较强 它们之间除了相互绕转外，还发生物质交流，从而影响每个子星的演化 密近双星的关键是物质交流 物质交流的过程十分复杂 形式也是多种多样,密近双星模拟图：右上是一颗白矮星，它从左下的伴星表面不断吸取物质，并在自身周围形成一个物质盘,X射线双星：一子星为X射线源的密近双星 双星X射线源是X射线波段中最亮的天体 射电双星：探测到射电辐射的双星 恒星的辐射较微弱，不易被探测到 射电双星的射电辐射 可能产生于双星系统周围的稀薄等离子云 爆发双星： 双星系统中如果有一个子星是爆发变星,聚星：由3到7颗恒星组成的恒星系统 聚星通常称为多合星 三合星：3颗星在一起 四合星：常常组成间距相当的较为规则的四边形 六合星：常常由3对双星组合而成,星团： 星数超过10个并且具有物理联系的星群 星团的成员彼此间有相对运动 星团作为一个整体也在空间运动着 一般将星团分为银河星团和球状星团,银河星团：具有不规则的外形，成员星在十几到几千之间，所占空间范围也不大，在10光年到100光年之间 银河星团结构比较松散，也称为松散星团 已发现的银河星团约1000个，都分布在横跨天空的银河附近，银河星团也因此得名,昴星团：年龄约为五千万年，共有三百至五百颗恒星 “七姊妹星团”：古人只能看见其中的七颗,球状星团： 外形呈球状或扁球状 成员星很多，可达几十万到几千万颗 所占空间范围为几十到几百光年 相当均匀地分布在银河系内,半人马座球状星团,很稀疏的恒星集团 恒星的空间密度很小，所在天区看不到恒星聚集现象 光谱型大致相同看出聚集 大致呈球形，比一般疏散星团大得多 很年轻、不稳定的恒星集团,星 协,小结： 主序星 变星 脉动变星 爆发变星：耀星、不规则快变星、新星、 超新星 致密星：白矮星、中子星、脉冲星、（黑 洞） 巨星，超巨星：红超巨星、蓝超巨星,双星：光学双星、物理双星、密近双星、 X射线双星、射电双星、爆发双星 聚星 星团：银河星团、球状星团 星协,年老恒星或恒星集团的年龄宇宙年龄下限 放射性元素衰变： 地球表面岩石年龄约为 3.8*109 年 太阳系陨石年龄约为4.56 *109年 光谱可以测出恒星中的各元素丰度 由此得到宇宙年龄下限：15.6 +/- 4.6*109年,主序星演化理论球状星团中残存主序星的最大绝对光度 (turnoff point) 它与星团的年龄，金属丰度相关 turnoff point的光度，星团的距离，金属丰度估计球状星团的年龄： 球状星团平均年龄为1016 *109年,白矮星没有能量来源，会逐渐冷却、变暗 观测球状星团中白矮星的光度函数，即数目随光度的分布：最暗光度星团年龄 宇宙年龄下限为12.1*109年 可观测宇宙的半径：光从宇宙开始到现在走过的距离，即光速乘以宇宙年龄,星云和星际物质,银河系中的星云就形态来说可分为 行星状星云：正圆或扁圆形的淡淡发 光的天体，和大行星很相似 弥漫星云：形状很不规则 常常没有明显的边界 超新星剩余物质云： 超新星爆发时抛出的物质形成的星云,星云的核：行星状星云的中央都有一颗很亮的恒星 大部分行星状星云呈现为绕核的环状物或圆盘状物，少数具有复杂的结构 大多数行星状星云的边缘在不断向外膨胀扩张，速度为1050km/s，因此寿命都不会长久，大约为104年 行星状星云是气体星云： 平均温度在600010000K之间 密度比地球大